Développement d’onduleurs cryogéniques à l’ESRF et SOLEIL

1. Développement d’onduleurs cryogéniques à l’ESRF et SOLEIL ESRF J. Chavanne P. Elleaume G. Le Bec C. Penel F. Revol SOLEIL C. Benabderrahmane P. Berteaud M.E Couprie D. Zerbib J.L Marlats K. Tavakoli C. Kitegi Thèse à l’ESRF puis Post-Doctorat à SOLEIL 1

2. Onduleurs à faible période/fort champ • Avantage: • Décalage à K constant du spectre vers les hautes énergies. • Augmentation de l’intensité spectrale: Nécessité: • Fermeture du gap • Développement des onduleurs sous vide IVUs (le faisceau d’e- limite le gap minimum) 2

3. Onduleurs sous vide (IVU) Onduleur PPM Onduleur Hybride Colonnette Aimant Poutres Soufflet Fer doux Amplitude du champ [ T ] Chambre à vide Circuit de refroidissement Pour un faible rapport Entrefer/l0 les onduleurs hybrides produisent un champ plus fort que les onduleurs PPM Entrefer/l0

4. Matériaux magnétiques pour les IVUs • GeV e-, , N: environnement extrême pour les aimants dans un IVU • Risque de désaimantation pour de faibles valeurs de gap. • Sélection d’aimants avec une importante résistance à la désaimantation. • Pour un matériau donné la résistance augmente avec la coercivité. • Sm2Co17 • Forte résistance à la désaimantation • Champ rémanent limité à 1.05 T • Nd2Fe14B • Fort champ rémanent (jusqu’à 1.4T) • Faible résistance à la désaimantation • Loi H(Br) basée sur des données constructeurs • 0H= 9.08 -5.77xBr (J. Chavanne EPAC02) • Pr2Fe14B • Pas d’offre de constructeurs • Mais … Aimants Nd2Fe14B résistant à GeV e-, g, N Aimants Nd2Fe14B compatibles à l’étuvage à 400K Champ coercitif µ0Hj [ T ] Rémanence Br[T] 4

5. Un onduleur petite période fort champ à aimants permanents refroidis à température cryogénique? Refroidir les aimants permanents permet d’augmenter leur coercivité et leur rémanence T. Hara, APAC 2004 Nd2Fe14B Pr2Fe14B Hc[ kA/m ] Coercivité µ0Hc[ T ] Nd2Fe14B Nd2Fe14B Nd2Fe14B Nd2Fe14B Pr2Fe14B Rémanence Br[ T ] Nd2Fe14B Température [ K ] Nd2Fe14B Sm2Co17 Température [ K ] A basse température résistance aimants Nd2Fe14B ~ aimants Sm2Co17 (T. Bizen EPAC04) A basse température on a de « nouveaux matériaux » magnétiques

6. Onduleurs cryogéniques à aimants permanents

7. Stratégie de développement à l’ESRF et SOLEIL • ESRF: • Développement en deux étapes • Réalisation à l’échelle 1:1 et installation sur l’anneau (2004) • Validation de la conception • Validation de la mesure magnétique sous vide • Installation en janvier 2008 sur une ligne R&D et étude de son comportement (vide, thermique) cf poster de G. Le Bec. • Réalisation d’un CPMU optimisé (2009) • Choix d’un matériau à haut Br/faible Hcj • Faible erreur de phase • Installation sur une ligne utilisateur • SOLEIL • Réalisation d’un prototype optimisé • Choix d’aimants à haut Br/faible Hcj basé sur des mesures systématiques de courbes d’aimantation pour différents aimants • 1ère conception avec Nd2Fe14B BH50 (EPAC08) • 2nde proposition de conception avec Pr2Fe14B (SRI09) • Etude magnétique et thermique sur un petit prototype • Faible erreur de phase • Installation sur l’anneau

8. Modèle numérique du CPMU Géométrie Modèle RADIA: • Description des aimants utilise des courbes d’aimantation expérimentales mesurées au Laboratoire Louis Néel • Description des pôles indépendante de la température • Modèle RADIA permet de: • Calculer la variation du champ crête avec la température • Déterminer les effets d’intégrales systématiques aux extrémités • Calcul du point de fonctionnement des aimants 8 Tem

9. Variation avec la température du champ Bz et de l’intégrale de champ ∫Bz Intégrale de champ Iz vs T Intégrale Iz [Gm] Hyb. ESRF Température [K] Résultats principaux du modèle: • B0 max(PrFeB)>B0max(NdFeB), • B0max(NdFeB) à T=150K alors que Br max à 120K • B0 presque constant sur un DT important (>30K) • Avec NdFeB augmentation de l’intégrale pour T<150K • La température d’opération: • avec NdFeB: 150K (cf. Poster G. Le bec) • Avec PrFeB: pas de contrainte (cf T. Tanabe, SRI09 )

10. Point de fonctionnement des aimants Entrefer =10mm Point de fonctionnement à 300K proche de la désaimantation Aimantation [T] • Réalisation d’un prototype • Étude de la désaimantation • Étude thermique Champ interne [T] Etude sur la désaimantation à faire

11. Le système cryogénique Principe: Azote liquide sous pression circulant en boucle fermée et refroidi par un bain d’azote liquide à pression atmosphérique Avantages Système connu à l’ESRF, utilisé pour refroidir les monochromateurs (support et expertise en interne) Adapté aux gros systèmes Importante capacité frigorifique 2kW Inconvénient (T~80K) fixé par le bain d’azote liquide Onduleur Tcpmu Boucle interne P=2bar +Dp T=Tsat T≈80K P[W] Bain d’azote liquide P=1bar, T=77K

12. Banc de mesures magnétiques I Mesure des 3 composantes de champs avec 3 sondes de Hall Vitesse: 30mm/s – échantillonnage 0.1mm (durée scan <2min) Banc ESRF (Réalisé) • Axe longitudinal motorisé • Motorisation dans l’air • Rail en 3 blocs • Chambre dédiée à la mesure Banc SOLEIL (en cours de développement) • Axe longitudinal motorisé • Motorisation dans le vide • Rail en un seul bloc • Mesure dans la chambre finale 12

13. Bancs de mesures magnétiques II Fil tendu: • Pas de motorisation dans le vide • La tension du fil est assurée par des poids Fil Tendu Translation verticale ±5mm Translation horizontale ±25mm 13

14. Résultats des mesures magnétiques à basse température: Evolution du champ Bz • Variation du champ crête avec la température • Comportement similaire au modèle RADIA • Maximum de champ à T=148K • Variation du champ crête <0.5% entre 135K et 180K Champ crête [T] Température [K] Modèle RADIA Mesure Entrefer =6mm

15. Résultats des mesures magnétiques à basse température: intégrale de champ • Le changement de perméabilité dans les aimants induit des intégrales de champ (effet d’extrémité): • Comportement similaire au modèle RADIA • Peu d’effet sur l’intégrale de champ horizontal Trajectoire horizontale: 300K 120K Trajectoire verticale: 300K 120K Entrefer =6mm Mesure Modèle RADIA Entrefer =6mm Intégrale/extrémité [Gm] Trajectoire [µm] Température [K] Position longitudinale [m] Effet d’extrémité visible sur la trajectoire

16. Evolution des erreurs magnétiques à basse température: mesure de l’erreur de phase • Erreur de phase • Augmentation de l’erreur de phase à basse température • ~ 1° entre 300 K et 150 K • ~ 6° entre 150 K et 120 K Entrefer =6mm Variation de Température DT Gradient thermique le long des poutres • Modèle +Mesure • Résulte du gradient longitudinal de température: • - Déformation de l’entrefer • - Changement local des propriétés des aimants • L’augmentation de l’erreur de phase est acceptable pour cet onduleur. Un plus faible gradient est nécessaire pour obtenir un onduleur avec une faible erreur de phase. Variation de température DT [K] Erreur de phase [°] Température [K] Température [K]

17. Résumé des mesures • Bonne concordance entre le modèle RADIA et les mesures • Pas d’erreur locale • Effet globaux un gradient thermique le long des poutres • Correction à température ambiante valable à basse température • gradient longitudinal de température incompatible avec une erreur de phase <2.5° • Encore des optimisations possibles: • choix des matériaux • banc de mesure sous vide • Intégration d’un contrôle d’entrefer différentiel • pour compenser un gradient thermique

18. Conclusion et perspectives • Installation sur ID06 en Janvier 08 (C.f. Poster de G. Le Bec) • Opération sur l’anneau OK 2009-2010: Réalisation de CPMU optimisé avec des aimants à fort Br (non étuvables).